分析变流器器件MOSFET与IGB性能

　　有关变流器的器件－MOSFET和IGBT。MOSFET和IGBT是当前变流器中应用广泛，重要的两类器件。MOSFET主要应用在低压和中压（中小功率），IGBT主要应用在高压和中压（大功率）领域。

　　首先来说MOSFET，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。

　　要使增强型N沟道MOSFET工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子（空穴）的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流ID。

　　实际上，不同耐压的MOSFET达到充分导通的栅电压是不同的。基本规律是：耐压越高的MOSFET，达到充分导通的栅电压越低；我查阅了各种耐压MOSFET的VGS－RDS曲线，得到的结论是：耐压200V的MOSFET达到充分导通的栅电压＞16V；耐压500V的MOSFET达到充分导通的栅电压＞12V；耐压1000V的MOSFET达到充分导通的栅电压＞8V。有关变流器的器件－MOSFET和IGBT。MOSFET和IGBT是当前变流器中应用广泛，重要的两类器件。MOSFET主要应用在低压和中压（中小功率），IGBT主要应用在高压和中压（大功率）领域

　　说了MOSFET的驱动电压，再来说说IGBT的驱动电压，IGBT的驱动电压为15±1.5V，与IGBT的耐压无关。驱动电压低于13.5V，IGBT的饱和压降会明显增高；高于16.5V，既没有必要，还可能带来不利的影响。

　　某些用IGBT作为主功率器件的变流器，IGBT的输出直接与外部负载连接，例如驱动电机调速的变频器，司服系统等等。显然，这么大的短路电流，对IGBT极具破坏性。虽然，IGBT号称有10微秒的抗短路能力，十几倍的额定电流也是难于承受的，我的经验是，多只能承受，第二次就玩完。因此，建议，如果有条件严格控制IGBT的驱动电压的话，此类变流器IGBT的栅电压为14.5－15.5V为宜。

　　IGBT的主要技术参数之额定电流的定义：在一定的壳温条件下，可以连续通过集电极的电流（直流）。我们必须关注的是：额定电流指的直流，也就是说，不能有开关动作，而且，栅电压为15V，即IGBT在良好导通的情况下。此时结温不高于规格书中的值。

　　而实际应用时总是有开关动作的，开关时的瞬时功耗远远大于导通时的瞬时功耗，一般正常工作时，导通时的峰值电流应小于其额定电流，应该小多少为合理呢？这个问题不能一概而论。这与所选的IGBT的品牌，开关速度，工作频率，母线电压，外壳温度等等多种因素有关。向原生产商的技术支持咨询。

　　我曾经向三菱作过咨询，采用三菱的IGBT模块，设计AC380V的通用变频器，工作频率6－7KHZ，选择相应适用的系列型号。变频器输出额定电流的峰值应该设计为IGBT额定电流的1/2，通用变频器一般允许150％过载，此时IGBT的峰值电流为IGBT额定电流的3/4

　　IGBT模块的寿命

　　IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似。也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。

　　1: 功率循环寿命： 外壳温度变化很小但结温变化频繁时的工作模式下的寿命。

　　2: 热循环寿命：系统从启动到停止期间温度相对缓慢变化的工作模式下的寿命。

　　下图是功率模块的典型结构

　　当功率模块结温变化时， 由于膨胀系数的不同，在铝线和硅片间、硅片和绝缘基片间将产生应力应变，如果应力一直重复，结合部的热疲劳将导致产品失效。如下图

　　在功率模块壳温变化相对缓慢而变化幅度大的工作模式下，由于绝缘基板和铜底板的膨胀系数不同，绝缘基板和铜底板之间的焊锡层将产生应力应变

　　如果应力一直重复， 焊锡层将产生裂纹。如果裂纹扩大到硅片的下方，热阻增大将导致热失控；或者热阻增加引起DTj 增加导致功率循环寿命下降，并终导致引线剥离失效 。如下图

 

　　功率器件的并联使用

　　要实现功率器件的并联使用，应满足两个条件：

　　1、并联使用功率器件的一致性好（要选用同一批次的）；

　　2、其导通电阻或饱和压降为正温度系数。

　　MOSFET的导通电阻都是正温度系数的，很容易实现并联使用。

　　IGBT则不然，有的IGBT饱和压降是负温度系数的，有的IGBT饱和压降是正温度系数的。

　　负温度系数饱和压降的IGBT并联使用难于均流，所以，不宜并联使用。

　　正温度系数饱和压降的IGBT是可以并联使用的，并且能够达到很好的均流效果

　　例如，INFINEON的FF450R17ME3，下图是其饱和压降的温度特性，当集电极电流大于100A时，饱和压降有良好的正温度系数。本人使用两个模块并联，输出总电流400A交流有效值，实测并联模块电流的不均匀度小于5％。

　　三菱的CM400DU-24NFH，该器件额定电流为400A，这是一个开关速度很快的IGBT，其饱和压降比较大，一般应用在工作频率较高的地方，所以，总损耗较大，因此一般峰值电流在200A左右。从下图可以清楚地看到，该IGBT集电极电流小于350A时，其饱和压降为负温度系数。